Zbog male veličine i veličine, gotovo da nema postojećih standarda za tiskane ploče za rastuće tržište nosivih IoT uređaja. Prije nego što su ovi standardi izašli, morali smo se osloniti na znanje i proizvodno iskustvo stečeno u razvoju na razini ploče i razmišljati o tome kako ih primijeniti na jedinstvene nove izazove. Tri su područja koja zahtijevaju našu posebnu pozornost. To su: površinski materijali tiskanih ploča, RF/mikrovalni dizajn i RF prijenosne linije.

PCB materijal

"PCB" se općenito sastoji od laminata, koji mogu biti izrađeni od epoksida ojačanog vlaknima (FR4), poliimida ili Rogers materijala ili drugih laminatnih materijala. Izolacijski materijal između različitih slojeva naziva se prepreg.

Nosivi uređaji zahtijevaju visoku pouzdanost, pa kada se dizajneri PCB-a suoče s izborom upotrebe FR4 (najisplativiji materijal za proizvodnju PCB-a) ili naprednijih i skupljih materijala, to će postati problem.

Ako nosive PCB aplikacije zahtijevaju materijale velike brzine i visoke frekvencije, FR4 možda nije najbolji izbor. Dielektrična konstanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrična konstanta naprednijeg materijala serije Rogers 4003 je 3,55, a dielektrična konstanta bratske serije Rogers 4350 je 3,66.

„Dielektrična konstanta laminata odnosi se na omjer kapacitivnosti ili energije između para vodiča u blizini laminata i kapaciteta ili energije između para vodiča u vakuumu. Na visokim frekvencijama najbolje je imati male gubitke. Stoga je Roger 4350 s dielektričnom konstantom od 3,66 prikladniji za aplikacije viših frekvencija nego FR4 s dielektričnom konstantom od 4,5.

Pod normalnim okolnostima, broj PCB slojeva za nosive uređaje kreće se od 4 do 8 slojeva. Načelo konstrukcije slojeva je da, ako se radi o 8-slojnom PCB-u, on bi trebao biti u mogućnosti osigurati dovoljno slojeva uzemljenja i napajanja i spojiti sloj ožičenja. Na taj način se efekt valovitosti u preslušavanju može svesti na minimum, a elektromagnetske smetnje (EMI) mogu se značajno smanjiti.

U fazi projektiranja tiskane ploče, plan rasporeda je općenito postavljanje velikog sloja uzemljenja blizu sloja za distribuciju energije. To može stvoriti vrlo nizak efekt valovitosti, a šum sustava također se može smanjiti gotovo na nulu. Ovo je posebno važno za radiofrekvencijski podsustav.

U usporedbi s Rogersovim materijalom, FR4 ima veći faktor disipacije (Df), posebno pri visokoj frekvenciji. Za FR4 laminate viših performansi, Df vrijednost je oko 0,002, što je red veličine bolje od običnog FR4. Međutim, Rogersov stack je samo 0,001 ili manje. Kada se materijal FR4 koristi za visokofrekventne primjene, bit će značajna razlika u unesenom gubitku. Insercijski gubitak se definira kao gubitak snage signala od točke A do točke B kada se koristi FR4, Rogers ili drugi materijal.

stvarati probleme

Nosivi PCB zahtijeva strožu kontrolu impedancije. Ovo je važan faktor za nosive uređaje. Usklađivanje impedancije može proizvesti čistiji prijenos signala. Ranije je standardna tolerancija za tragove signala bila ±10%. Ovaj pokazatelj očito nije dovoljno dobar za današnje visokofrekventne i brze sklopove. Trenutačni zahtjev je ±7%, au nekim slučajevima čak ±5% ili manje. Ovaj parametar i druge varijable ozbiljno će utjecati na proizvodnju ovih nosivih PCB-ova s ​​posebno strogom kontrolom impedancije, čime se ograničava broj tvrtki koje ih mogu proizvoditi.

Tolerancija dielektrične konstante laminata izrađenih od Rogers UHF materijala općenito se održava na ±2%, a neki proizvodi čak mogu doseći ±1%. Nasuprot tome, tolerancija dielektrične konstante FR4 laminata je čak 10%. Stoga, usporedite ova dva materijala, može se utvrditi da je Rogersov uneseni gubitak posebno nizak. U usporedbi s tradicionalnim FR4 materijalima, gubici prijenosa i uneseni gubici Rogersovog niza su upola manji.

U većini slučajeva cijena je najvažnija. Međutim, Rogers može pružiti performanse visokofrekventnog laminata s relativno malim gubicima po prihvatljivoj cijeni. Za komercijalne primjene Rogers se može pretvoriti u hibridni PCB s FR4 na bazi epoksida, od kojih neki slojevi koriste Rogers materijal, a drugi slojevi koriste FR4.

Pri odabiru Rogersovog skupa, učestalost je primarna stvar. Kada frekvencija prijeđe 500MHz, dizajneri PCB-a obično biraju Rogersove materijale, posebno za RF/mikrovalne krugove, jer ti materijali mogu pružiti bolje performanse kada su gornji tragovi strogo kontrolirani impedancijom.

U usporedbi s FR4 materijalom, Rogersov materijal također može osigurati manji dielektrični gubitak, a njegova dielektrična konstanta je stabilna u širokom frekvencijskom rasponu. Dodatno, Rogersov materijal može pružiti idealne performanse niskog unesenog gubitka koje zahtijeva rad visoke frekvencije.

Koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) Rogersovih materijala serije 4000 ima izvrsnu dimenzijsku stabilnost. To znači da u usporedbi s FR4, kada se PCB podvrgne hladnim, vrućim i vrlo vrućim ciklusima reflow lemljenja, toplinsko širenje i skupljanje sklopne ploče može se održavati na stabilnoj granici pod ciklusima više frekvencije i više temperature.

U slučaju mješovitog slaganja, lako je koristiti uobičajenu tehnologiju proizvodnog procesa za miješanje Rogersa i FR4 visokih performansi, tako da je relativno lako postići visok proizvodni prinos. Rogers stack ne zahtijeva poseban postupak pripreme.

Uobičajeni FR4 ne može postići vrlo pouzdane električne performanse, ali FR4 materijali visokih performansi imaju dobre karakteristike pouzdanosti, kao što je viši Tg, još uvijek relativno nisku cijenu i mogu se koristiti u širokom rasponu aplikacija, od jednostavnog audio dizajna do složenih mikrovalnih aplikacija .

RF/Mikrovalna razmatranja dizajna

Prijenosna tehnologija i Bluetooth utrli su put RF/mikrovalnim aplikacijama u nosivim uređajima. Današnje frekvencijsko područje postaje sve dinamičnije. Prije nekoliko godina, vrlo visoka frekvencija (VHF) definirana je kao 2GHz~3GHz. Ali sada možemo vidjeti aplikacije ultra visoke frekvencije (UHF) u rasponu od 10 GHz do 25 GHz.

Stoga, za nosivi PCB, RF dio zahtijeva više pozornosti na probleme ožičenja, a signale treba odvojiti odvojeno, a tragove koji generiraju visokofrekventne signale treba držati podalje od tla. Ostala razmatranja uključuju: osiguranje premosnog filtra, odgovarajuće kondenzatore za odvajanje, uzemljenje i projektiranje prijenosne i povratne linije da budu gotovo jednake.

Premosni filtar može potisnuti efekt mreškanja sadržaja šuma i preslušavanja. Kondenzatori za odvajanje moraju se postaviti bliže pinovima uređaja koji prenose signale napajanja.

Prijenosne linije i signalni krugovi velike brzine zahtijevaju postavljanje sloja uzemljenja između signala sloja snage kako bi se izgladio podrhtavanje koje stvaraju signali šuma. Pri većim brzinama signala male neusklađenosti impedancije uzrokovat će neuravnotežen prijenos i prijem signala, što će rezultirati izobličenjem. Stoga se posebna pažnja mora posvetiti problemu usklađivanja impedancije koji se odnosi na radiofrekvencijski signal, jer radiofrekvencijski signal ima veliku brzinu i posebnu toleranciju.

RF prijenosne linije zahtijevaju kontroliranu impedanciju za prijenos RF signala od određene IC podloge do PCB-a. Ove prijenosne linije mogu se implementirati na vanjskom sloju, gornjem sloju i donjem sloju ili se mogu dizajnirati u srednjem sloju.

Metode koje se koriste tijekom projektiranja RF PCB-a su mikrotrakasta linija, plutajuća trakasta linija, koplanarni valovod ili uzemljenje. Mikrotrakasta linija sastoji se od fiksne duljine metala ili tragova i cijele ravnine uzemljenja ili dijela ravnine uzemljenja neposredno ispod nje. Karakteristična impedancija u općoj strukturi mikrotrakaste linije kreće se od 50 Ω do 75 Ω.

Plutajući trakasti kabel još je jedan način ožičenja i potiskivanja šuma. Ovaj vod se sastoji od ožičenja fiksne širine na unutarnjem sloju i velike ravnine uzemljenja iznad i ispod središnjeg vodiča. Uzemljena ploča je u sendviču između energetske ravnine, tako da može pružiti vrlo učinkovit učinak uzemljenja. Ovo je poželjna metoda za nosivo PCB ožičenje RF signala.

Koplanarni valovod može pružiti bolju izolaciju u blizini RF kruga i kruga koji treba biti usmjeren bliže. Ovaj medij sastoji se od središnjeg vodiča i uzemljenih ploča s obje strane ili ispod. Najbolji način prijenosa radiofrekventnih signala je ovjes trakastih vodova ili koplanarnih valovoda. Ove dvije metode mogu osigurati bolju izolaciju između signala i RF tragova.

Preporuča se korištenje takozvane "prolazne ograde" s obje strane koplanarnog valovoda. Ova metoda može osigurati niz otvora za uzemljenje na svakoj metalnoj ravnini uzemljenja središnjeg vodiča. Glavna staza koja prolazi u sredini ima ograde sa svake strane, čime se osigurava prečac za povratnu struju do zemlje ispod. Ova metoda može smanjiti razinu šuma povezanu s visokim efektom valovitosti RF signala. Dielektrična konstanta od 4,5 ostaje ista kao i kod FR4 materijala preprega, dok je dielektrična konstanta preprega — iz mikrotrakastog, trakastog ili ofsetnog trakastog — oko 3,8 do 3,9.

U nekim uređajima koji koriste uzemljenu ravninu, slijepi vias mogu se koristiti za poboljšanje performansi odvajanja kondenzatora snage i osiguravanje shunt putanje od uređaja do mase. Shunt put do zemlje može skratiti duljinu via. Time se mogu postići dvije svrhe: ne samo da stvarate shunt ili uzemljenje, već također smanjujete udaljenost prijenosa uređaja s malim površinama, što je važan čimbenik RF dizajna.